JP6724412B2 - エンジンベンチシステムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンとダイナモメータを連結し、ダイナモメータを制御することによりエンジンの各種特性を測定するエンジンベンチシステムの制御装置に関する。

従来のエンジンベンチシステムの機械構成例を図４に示す。図４において、供試体であるエンジン１は、クラッチ２、手動変速機３およびプロペラシャフト４を介してダイナモメータ５に連結されている。

６は、エンジン１とダイナモメータ５の間のねじれからなる軸トルクを検出する軸トルクメータ（軸トルク検出器）であり、７はダイナモメータ５の回転数を検出するインクリメンタルエンコーダ（回転数検出器）である。

エンジン１は図示省略のスロットルアクチュエータによってスロットル開度が制御される。

図示省略の制御部は、前記軸トルクメータ６で検出された軸トルクおよびインクリメンタルエンコーダ７で検出された回転数に基づいて、軸トルクや速度を制御するためのインバータトルク指令信号を生成し、インバータ（図示省略）を介してダイナモメータ５を制御する。

このダイナモメータ５の軸トルク制御、速度制御を実施しながら、エンジン１の耐久性や燃費、排ガス計測等の性能試験が行われる。

前記制御部は、エンジン１とダイナモメータ５が連結した状態で、エンジン単体相当の始動を実現するものであるが、先行技術として、特許文献１に記載の、共振抑制効果を有した制御方式を適用して、軸トルク指令値を０Ｎｍとしてエンジンを始動する手法がある。

特許第４７６６０３９号公報

図４に示すようなクラッチ２を機械構成に含むエンジンベンチシステムでは、機械系のねじれ共振周波数がエンジン１のアイドル回転数と近い。

特許文献１では、ねじれ共振が発生しないようにダイナモメータの制御を行うが、エンジン慣性、ダイナモメータ慣性、ダイナモメータ定格トルクの組み合わせ次第では、エンジン始動時のエンジン振動トルクの抑制効果が低下し、結果として、ねじれ共振が発生する。

これによって、エンジン始動時のエンジン回転数波形の一例を示す図５のように、エンジンのクランキング状態が長時間継続し、エンジン始動が出来ない場合がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、エンジン始動時のエンジン回転損失による影響をなくし、短時間でエンジンを始動させることができるエンジンベンチシステムの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載のエンジンベンチシステムの制御装置は、
エンジンとダイナモメータを連結し、ダイナモメータを制御することによりエンジンの各種特性を測定するエンジンベンチシステムにおいて、
軸トルク検出器によって検出された前記ダイナモメータとエンジンの間のねじれからなる軸トルク検出信号に基いて算出した軸トルク検出分推定トルクと、回転数検出器によって検出されたダイナモメータの回転数検出信号に基いて算出したエンジンの加速分のトルクおよびエンジン損失トルクとを加算したエンジントルクの推定値を求めるエンジントルク推定部と、
前記エンジントルク推定部で求められたエンジントルクの推定値から、エンジン始動時のエンジン回転損失を補償するための、設定した模擬エンジン損失分を減算することによって、エンジンの回転損失分を補償したエンジンの回転数信号を求める模擬エンジン特性部と、
前記模擬エンジン特性部で求められたエンジンの回転数信号と前記ダイナモメータの回転数検出信号の差信号に基づいて、トルク電流指令値を生成する速度制御部と、を備え、
前記エンジントルク推定部は、
前記軸トルク検出信号を、設定したカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通して軸トルク検出分推定トルクを算出する軸トルク検出分推定トルク算出部と、
前記ダイナモメータの回転数検出信号を擬似微分した信号に、設定したエンジン慣性ゲインを乗算してエンジンの加速分のトルクを演算するエンジン加速分トルク推定部と、
前記ダイナモメータの回転数検出信号を、設定したカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した信号に、設定したエンジンの回転損失ゲインを乗算して、エンジン損失トルクを演算するエンジン損失推定部と、
前記軸トルク検出分推定トルク算出部、エンジン加速分トルク推定部およびエンジン損失推定部の各出力を加算する加算部とを備え、
前記模擬エンジン特性部は、
前記加算部の出力を、設定した模擬エンジン慣性モデルで除算してエンジンの回転数信号を出力する模擬エンジン慣性部と、
エンジンの回転数に対するエンジン損失トルクの関係が設定され、前記模擬エンジン慣性部から出力されるエンジンの回転数信号に対応したエンジン損失トルクを出力する非線形テーブルと、
前記加算部の出力から前記非線形テーブルの出力を減算し、該減算出力を前記模擬エンジン慣性部に出力する減算部と、を備え、
前記生成されたトルク電流指令値によってインバータを通して前記ダイナモメータを制御することを特徴としている。

上記構成によれば、エンジン始動時のエンジン回転損失分を加味したエンジントルクを推定し、該推定されたエンジントルクから、前記エンジン始動時のエンジン回転損失分を補償する模擬エンジン損失分を減算しているので、エンジンの回転損失による影響がなくなって、短時間でのエンジン始動を実現することができる。

また、模擬エンジン慣性部、模擬エンジン損失モデルにおける模擬エンジン慣性量、模擬エンジン損失トルクを任意に設定することにより、エンジン回転数波形を任意に調整することができる。

また非線形テーブルを設けたので、エンジンの回転数のみに対応した任意の損失トルク特性を模擬することができる。

（１）請求項１に記載の発明によれば、エンジンの回転損失や、エンジン慣性、ダイナモメータ慣性、ダイナモメータ定格トルクの組み合わせに起因する、エンジン始動時のエンジン振動トルクの抑制効果の低下によるねじれ共振の発生による影響がなくなって、短時間でのエンジン始動を実現することができる。

また、模擬エンジン慣性部、模擬エンジン損失モデルにおける模擬エンジン慣性量、模擬エンジン損失トルクを任意に設定することにより、エンジン回転数波形を任意に調整することができる。
また、エンジンの回転数のみに対応した任意の損失トルク特性を模擬することができる。

本発明の実施例１によるエンジンベンチシステムの制御装置の構成図。 本発明の実施例２によるエンジンベンチシステムの制御装置の構成図。 本発明によるエンジン始動時のエンジン回転数波形図。 エンジンベンチシステムの機械構成例を示す構成図。 先行技術によるエンジン始動時のエンジン回転数波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１は、図４の構成のエンジンベンチシステムに適用される、実施例１による制御装置を示している。

図１において、１００は、図４の軸トルクメータ６によって検出された軸トルク検出信号ＳＨＴと、図４のインクリメンタルエンコーダ７によって検出されたダイナモメータ５の回転数検出信号ＤＹωとに基づいて、エンジン始動時のエンジンの回転損失分を加味したエンジントルクの推定値（ＥＧＴ）を求めるエンジントルク推定部であり、具体的には次のように構成されている。

すなわち、入力された軸トルク検出信号ＳＨＴを、１／{（１／ωｃ）ｓ＋１}（ｓはラプラス演算子）を伝達関数とするローパスフィルタＬＰＦｔ（カットオフ周波数ωｃ[ｒａｄ／ｓ]）を有した軸トルク検出分推定トルク算出部１１０に通し、軸トルク検出分推定トルクを算出する。

入力されたダイナモメータ５の回転数検出信号ＤＹωを、ｓ／{（１／ωｃ）ｓ＋１}を伝達関数とする擬似微分（ｓ＊ＬＰＦω）ブロック１２１に通した後、エンジン慣性ゲインブロック１２２の予め設定されたエンジン慣性（ＥＧＪ）ゲインを乗算することにより、エンジンの加速度に使用されるトルクが推定（演算）される。

本実施例では、擬似微分ブロック１２１およびエンジン慣性ゲインブロック１２２でエンジン加速分トルク推定部１２０を構成している。

また前記回転数検出信号ＤＹωを、１／{（１／ωｃ）ｓ＋１}（ｓはラプラス演算子）を伝達関数とするローパスフィルタ（ＬＰＦω）１３１に通した後、エンジン損失ゲインブロック１３２の予め設定されたエンジン損失（ＥＧＣ）ゲインを乗算することにより、エンジン損失トルクが求められる。

本実施例では、ローパスフィルタ１３１およびエンジン損失ゲインブロック１３２でエンジン損失推定部１３０を構成している。

前記軸トルク検出分推定トルク算出部１１０、エンジン加速分トルク推定部１２０およびエンジン損失推定部１３０の各出力は加算部１４０において加算され、エンジントルクの推定値が出力される。

尚、前記軸トルク検出分推定トルク算出部１１０、擬似微分ブロック１２１、ローパスフィルタ１３１の各伝達関数中のωｃ（カットオフ周波数）は、推定しようとするエンジントルクの周波数帯域[ｒａｄ／ｓ]に指定（設定）するものである。

ここで、図４に示すエンジンベンチシステムのエンジン１〜軸トルクメータ６間の運動方程式は、
ＥＧＪ＊ｓ＊ＥＧω＋ＥＧＣ＊ＥＧω＝ＥＧＴ−ＳＨＴ…（１）
で表される（ｓはラプラス演算子）。

この式（１）の各パラメータの定義は、ＥＧＪ＝エンジン慣性[ｋｇ．ｍ²]、ＥＧω＝エンジン回転数[ｒａｄ／ｓ]、ＥＧＣ＝エンジン損失[Ｎ．ｍ．ｓ／ｒａｄ]、ＥＧＴ＝エンジントルク[Ｎ．ｍ]、ＳＨＴ＝軸トルク[Ｎ．ｍ]である。

このとき、前記方程式（１）は、
ＥＧＴ＝ＳＨＴ＋ＥＧＪ＊ｓ＊ＥＧω＋ＥＧＣ＊ＥＧω…（２）
と変形できるため、軸トルク検出（ＳＨＴ）、エンジン回転数（ＥＧω）からエンジントルクを推定することができる。

しかし、低周波数帯域ではエンジン回転数＝ダイナモメータの回転数となるため、図１のエンジントルク推定部１００のように、エンジン回転数ＥＧωをダイナモメータの回転数（回転数検出信号ＤＹω）で置き換え、さらに、微分演算（ｄ／ｄｔ）を擬似微分（擬似微分ブロック１２１）で置き換えることで、エンジントルク（ＥＧＴ）を推定することができる。

すなわち、前記式（２）のＳＨＴは、軸トルク検出信号を、推定するエンジントルクの周波数帯域をカットオフ周波数とする、軸トルク検出分推定トルク算出部１１０のローパスフィルタＬＰＦｔに通すことで推定される。

また式（２）のＥＧＪ＊ｓ＊ＥＧωは、エンジン加速分トルク推定部１２０において、ダイナモメータ５の回転数検出信号（ＤＹω）を擬似微分した信号に、設定したエンジン慣性ゲインを乗算することで推定される。

また式（２）のＥＧＣ＊ＥＧωは、エンジン損失推定部１３０において、ダイナモメータ５の回転数検出信号（ＤＹω）を、推定するエンジンの周波数帯域をカットオフ周波数とするローパスフィルタＬＰＦωに通した信号に、設定したエンジンの回転損失ゲインを乗算することで推定される。

次に、図１の２０１は、前記エンジントルク推定部１００で求められたエンジントルクの推定値から、エンジン始動時のエンジン回転損失を補償するための、設定した模擬エンジン損失分を減算することによって、エンジンの回転損失分を補償したエンジンの回転数信号を求める模擬エンジン特性部であり、エンジン始動波形を調整するためのパラメータ設定部として機能し、具体的には次のように構成されている。

すなわち、２１０は、前記加算部１４０の出力信号（推定されたエンジントルク）であって後述する減算部２３０を経て導入された信号に対して、設定した模擬エンジン慣性量を与えて、エンジンの回転数信号を算出する模擬エンジン慣性部である。

この模擬エンジン慣性部２１０は、１／{（ＥＧｍＪ）ｓ}（ＥＧｍＪは設定する模擬エンジン慣性モデル、ｓはラプラス演算子）なる伝達関数を有しており、減算部２３０の出力を（ＥＧｍＪ）ｓで除算することでエンジンの回転数信号を算出している。

２２１は、本発明の模擬エンジン損失モデルの一実施例としての模擬エンジン損失ゲインモデルであり、模擬エンジン慣性部２１０の出力信号に対して、模擬エンジン損失トルクを設定する（エンジンのトルク損失に相当する模擬エンジン損失ゲインを乗算する）。この模擬エンジン損失ゲイン（ＥＧｍＣ）は、例えばエンジン始動時のエンジン回転損失を補償するための模擬エンジン損失分に設定する。

前記模擬エンジン損失ゲインモデル２２１はゲインブロックであるため、模擬できるエンジン損失トルクは、（損失トルク）＝［ＥＧｍＣ］＊（エンジン回転数）が示す線形の関係である。

２３０は、加算部１４０の出力から模擬エンジン損失ゲインモデル２２１の出力を減算し、該減算出力を模擬エンジン慣性部２１０に出力する減算部である。

このように、エンジントルク推定部１００で推定されたエンジントルクから、模擬エンジン損失分（模擬エンジン損失ゲインモデル２２１の出力）を減算しているので、エンジン始動時のエンジン回転損失分を補償したエンジンの回転数信号を出力することができる。

模擬エンジン特性部２０１におけるエンジン特性（模擬エンジン慣性部２１０における模擬エンジン慣性モデルＥＧｍＪ、模擬エンジン損失ゲインモデル２２１における模擬エンジン損失ゲインＥＧｍＣ）の設定は、各々任意に行われるものであり、模擬エンジン損失ゲインＥＧｍＣに、エンジン損失ゲインブロック１３２のエンジン損失ゲインＥＧＣよりも大きな値を設定した場合には、エンジン１に何らかの摩擦特性が印加された場合の始動時のエンジン回転数が算出される。

また、模擬エンジン慣性モデルＥＧｍＪの値をエンジン慣性ゲインブロック１２２のエンジン慣性ゲインＥＧＪの値よりも大きくした場合には、エンジン１に何らかの慣性特性が印加された場合の始動時のエンジン回転数が算出される。

次に３００は、模擬エンジン特性部２０１から出力されたエンジンの回転数信号を回転数指令値ωｒｅｆとして入力し、ダイナモメータ５の回転数検出信号ＤＹωを回転数検出値ωとして入力し、両者の差をゼロとするトルク電流指令値Ｔｒｅｆを生成し出力する速度制御部（ＤＹＡＳＲ）である。

この速度制御部３００で生成されたＴｒｅｆを図示省略のインバータへのトルク電流指令（ＤＹＴｒｅｆ）とし、ダイナモメータ５の回転数を制御する。

これによって、模擬エンジン特性部２０１で設定したエンジン特性（模擬エンジン慣性モデルＥＧｍＪ、模擬エンジン損失ゲイン（ＥＧｍＣ））を模擬した所望のエンジン始動が実現される。

実施例１では、本発明の模擬エンジン損失ゲイン（ＥＧｍＣ）を、図１の模擬エンジン損失ゲインモデル２２１によって構成したが、本実施例２では、これに代えて図２に示す模擬エンジン特性部２０２の非線形テーブル２２２によって構成した。

図２の非線形テーブル２２２は、エンジンの回転数に対するエンジン損失トルクの関係がテーブル化されており、模擬エンジン慣性部２１０の出力（エンジンの回転数信号）を入力とし、その回転数に対応したエンジン損失トルクを減算部２３０に出力するものであり、その他の部分は図１と同様に構成されている。

このように、前記実施例１の模擬エンジン損失ゲインモデル２２１はゲインブロックであるため、模擬できるエンジン損失トルクは、（損失トルク）＝［ＥＧｍＣ］＊（エンジン回転数）が示す線形の関係であったが、本実施例２では、模擬エンジン損失ゲインＥＧｍＣを非線形テーブルで構成したため、（損失トルク）＝ｆ（エンジン回転数）という、エンジンの回転数のみに対応した任意の損失トルク特性を模擬することができる。

本発明の制御回路（図１）を図４のエンジンベンチシステムに適用した場合の、エンジン始動時のエンジン回転数波形を図３に示す。

図３は、模擬エンジン慣性部２１０の模擬エンジン慣性モデルＥＧｍＪと、模擬エンジン損失ゲインモデル２２１の模擬エンジン損失ゲインＥＧｍＣを変えた４通りのエンジン模擬特性での始動波形を示している。

すなわち、波形イはＥＧｍＪ＝０．２［ｋｇ．ｍ²］、ＥＧｍＣ＝０[Ｎ．ｍ．ｓ／ｒａｄ]であり、波形ロはＥＧｍＪ＝０．２［ｋｇ．ｍ²］、ＥＧｍＣ＝０．０５[Ｎ．ｍ．ｓ／ｒａｄ]であり、波形ハはＥＧｍＪ＝０．２＊１．２［ｋｇ．ｍ²］、ＥＧｍＣ＝０[Ｎ．ｍ．ｓ／ｒａｄ]であり、波形ニはＥＧｍＪ＝０．２＊０．８［ｋｇ．ｍ²］、ＥＧｍＣ＝０[Ｎ．ｍ．ｓ／ｒａｄ]である。

先行技術によるエンジン始動においては、図５に示すようにクランキング状態から抜けるために長時間を要していたが、図３に示す本発明によれば、短時間でクランキング状態が終了しエンジンが始動していることがわかる。

このように、本発明による制御装置では、短時間でのエンジン始動が可能となるだけでなく、模擬エンジン特性パラメータ（模擬エンジン慣性モデルＥＧｍＪ、模擬エンジン損失ゲインＥＧｍＣ）を調整することにより、エンジン回転数波形を調整することも可能となる。

１…エンジン
２…クラッチ
３…手動変速機
４…プロペラシャフト
５…ダイナモメータ
６…軸トルクメータ
７…インクリメンタルエンコーダ
１００…エンジントルク推定部
１１０…軸トルク検出分推定トルク算出部
１２０…エンジン加速分トルク推定部
１２１…擬似微分ブロック
１２２…エンジン慣性ゲインブロック
１３０…エンジン損失推定部
１３１…ローパスフィルタ
１３２…エンジン損失ゲインブロック
１４０…加算部
２０１，２０２…模擬エンジン特性部
２１０…模擬エンジン慣性部
２２１…模擬エンジン損失ゲインモデル
２２２…非線形テーブル
２３０…減算部
３００…速度制御部

Claims (1)

1. エンジンとダイナモメータを連結し、ダイナモメータを制御することによりエンジンの各種特性を測定するエンジンベンチシステムにおいて、
   軸トルク検出器によって検出された前記ダイナモメータとエンジンの間のねじれからなる軸トルク検出信号に基いて算出した軸トルク検出分推定トルクと、回転数検出器によって検出されたダイナモメータの回転数検出信号に基いて算出したエンジンの加速分のトルクおよびエンジン損失トルクとを加算したエンジントルクの推定値を求めるエンジントルク推定部と、
   前記エンジントルク推定部で求められたエンジントルクの推定値から、エンジン始動時のエンジン回転損失を補償するための、設定した模擬エンジン損失分を減算することによって、エンジンの回転損失分を補償したエンジンの回転数信号を求める模擬エンジン特性部と、
   前記模擬エンジン特性部で求められたエンジンの回転数信号と前記ダイナモメータの回転数検出信号の差信号に基づいて、トルク電流指令値を生成する速度制御部と、を備え、
   前記エンジントルク推定部は、
   前記軸トルク検出信号を、設定したカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通して軸トルク検出分推定トルクを算出する軸トルク検出分推定トルク算出部と、
   前記ダイナモメータの回転数検出信号を擬似微分した信号に、設定したエンジン慣性ゲインを乗算してエンジンの加速分のトルクを演算するエンジン加速分トルク推定部と、
   前記ダイナモメータの回転数検出信号を、設定したカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通した信号に、設定したエンジンの回転損失ゲインを乗算して、エンジン損失トルクを演算するエンジン損失推定部と、
   前記軸トルク検出分推定トルク算出部、エンジン加速分トルク推定部およびエンジン損失推定部の各出力を加算する加算部とを備え、
   前記模擬エンジン特性部は、
   前記加算部の出力を、設定した模擬エンジン慣性モデルで除算してエンジンの回転数信号を出力する模擬エンジン慣性部と、
   エンジンの回転数に対するエンジン損失トルクの関係が設定され、前記模擬エンジン慣性部から出力されるエンジンの回転数信号に対応したエンジン損失トルクを出力する非線形テーブルと、
   前記加算部の出力から前記非線形テーブルの出力を減算し、該減算出力を前記模擬エンジン慣性部に出力する減算部と、を備え、
   前記生成されたトルク電流指令値によってインバータを通して前記ダイナモメータを制御するエンジンベンチシステムの制御装置。

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